Gia công thô: Quy trình loại bỏ kim loại chính trong chế tạo thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Gia công thô là quá trình loại bỏ vật liệu ban đầu trong sản xuất kim loại, trong đó vật liệu dư thừa được loại bỏ nhanh chóng khỏi phôi để đạt được kích thước mong muốn, để lại đủ vật liệu cho các hoạt động hoàn thiện tiếp theo. Giai đoạn gia công sơ bộ này ưu tiên tốc độ loại bỏ vật liệu hơn là độ hoàn thiện bề mặt hoặc độ chính xác về kích thước, thường để lại 0,5-3mm vật liệu cho các hoạt động hoàn thiện.

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, gia công thô thể hiện sự cân bằng quan trọng giữa hiệu quả sản xuất và các cân nhắc về luyện kim. Quy trình này phải tối đa hóa việc loại bỏ vật liệu trong khi vẫn kiểm soát được ứng suất nhiệt và cơ học được đưa vào cấu trúc vi mô của phôi.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, gia công thô nằm ở giao điểm của quá trình gia công cơ khí và quá trình tiến hóa vi cấu trúc. Nó khởi đầu quá trình chuyển đổi từ nguyên liệu thô thành thành phần hoàn thiện đồng thời thiết lập nền tảng cho các hoạt động tiếp theo sẽ xác định các đặc tính vật liệu cuối cùng và đặc điểm hiệu suất.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, gia công thô gây ra biến dạng dẻo đáng kể ở các lớp bề mặt và lớp dưới bề mặt của thép. Hoạt động cắt tạo ra các vùng cắt cục bộ, nơi nhiệt độ có thể vượt quá 600°C, gây ra sự kết tinh lại động và các biến đổi pha tiềm ẩn trong vật liệu bị ảnh hưởng.

Cơ chế cắt bao gồm ba vùng biến dạng chính: vùng cắt chính (nơi hình thành phoi), vùng biến dạng thứ cấp (giao diện dụng cụ-phoi) và vùng biến dạng thứ ba (nơi bề mặt mới gia công tương tác với mặt bên của dụng cụ). Các vùng này trải qua các tốc độ biến dạng, nhiệt độ và trạng thái ứng suất khác nhau, cùng nhau làm thay đổi cấu trúc vi mô.

Mô hình lý thuyết

Mô hình Merchant's Circle thể hiện khuôn khổ lý thuyết chính để hiểu cơ học gia công thô. Mô hình cắt trực giao này liên quan đến lực cắt, hình dạng dụng cụ và đặc tính vật liệu thông qua phân tích vectơ của các lực tác động tại giao diện dụng cụ-phôi.

Hiểu biết lịch sử phát triển từ công trình của Ernst và Merchant vào những năm 1940 cho đến các mô hình phần tử hữu hạn hiện đại. Các mô hình ban đầu coi thép là một thể liên tục đồng nhất, trong khi các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp các cân nhắc về cấu trúc vi mô.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết khác nhau bao gồm lý thuyết trường trượt cho biến dạng dẻo, các mô hình cấu thành Johnson-Cook cho biến dạng tốc độ biến dạng cao và các mô hình dẻo tinh thể gần đây hơn có tính đến các cơ chế biến dạng ở cấp độ hạt.

Cơ sở khoa học vật liệu

Gia công thô tương tác trực tiếp với cấu trúc tinh thể của thép, tạo ra sự sai lệch và có khả năng làm thay đổi ranh giới hạt. Tốc độ biến dạng cao có thể gây ra sự tinh chỉnh hạt gần bề mặt gia công hoặc ngược lại, sự phát triển của hạt nếu hiệu ứng nhiệt chiếm ưu thế.

Cấu trúc vi mô của thép ảnh hưởng đáng kể đến khả năng gia công. Cấu trúc ferit thường dễ gia công hơn cấu trúc martensitic, trong khi sự hiện diện và hình thái của cacbua ảnh hưởng đến độ mài mòn của dụng cụ và tạo bề mặt.

Quá trình này kết nối với các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản bao gồm làm cứng biến dạng, làm mềm nhiệt và độ nhạy tốc độ biến dạng. Các cơ chế cạnh tranh này xác định tính toàn vẹn bề mặt kết quả và các thay đổi vi cấu trúc dưới bề mặt trong quá trình gia công thô.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Tỷ lệ loại bỏ vật liệu (MRR) trong gia công thô được định nghĩa như sau:

$$MRR = a_p \times f \times v_c$$

Trong đó $a_p$ là độ sâu cắt (mm), $f$ là tốc độ chạy dao (mm/vòng) và $v_c$ là tốc độ cắt (m/phút).

Công thức tính toán liên quan

Lực cắt trong gia công thô có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$$F_c = k_c \times a_p \times f$$

Trong đó $F_c$ là lực cắt (N) và $k_c$ là lực cắt riêng (N/mm²), thay đổi tùy theo vật liệu.

Yêu cầu về công suất cho gia công thô được tính như sau:

$$P = \frac{F_c \times v_c}{60 \times 1000} \text{ (kW)}$$

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định điều kiện cắt ổn định mà không tính đến tác động vào/ra của dụng cụ hoặc các biến thể do rung động gây ra.

Các mô hình này có những hạn chế khi tốc độ cắt vượt quá ngưỡng nhất định khi quá trình làm mềm nhiệt chiếm ưu thế hơn quá trình làm cứng do ứng suất, thường là trên 200-300 m/phút đối với thép cacbon.

Những tính toán này giả định các đặc tính vật liệu đồng nhất và không tính đến các biến thể vi cấu trúc, tạp chất hoặc lịch sử xử lý trước đó có thể tạo ra sự khác biệt về đặc tính cục bộ.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E3-11: Hướng dẫn tiêu chuẩn để chuẩn bị mẫu kim loại học - Bao gồm đánh giá bề mặt gia công và các hiệu ứng bên dưới bề mặt.

ISO 8688-1: Kiểm tra tuổi thọ dụng cụ trong phay - Cung cấp các phương pháp chuẩn hóa để đánh giá các hoạt động phay thô.

ASME B5.54: Phương pháp đánh giá hiệu suất của các trung tâm gia công điều khiển số bằng máy tính - Bao gồm các giao thức để đo khả năng gia công thô.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy đo độ nhám bề mặt đo địa hình của các bề mặt gia công thô, thường sử dụng phương pháp quang học hoặc dựa trên bút stylus để định lượng Ra, Rz và các thông số kết cấu khác.

Máy đo lực gắn trên máy công cụ đo lực cắt trong quá trình gia công thô, cung cấp dữ liệu thời gian thực về độ ổn định của quy trình và tình trạng dụng cụ.

Kính hiển vi kim loại và kính hiển vi điện tử quét (SEM) kiểm tra những thay đổi về cấu trúc vi mô do gia công thô gây ra, đặc biệt là trong việc đánh giá sự hình thành lớp trắng và biến dạng bề mặt.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kim loại học tiêu chuẩn cần được cắt vuông góc với bề mặt gia công, sau đó lắp, mài, đánh bóng và khắc để lộ các đặc điểm cấu trúc vi mô.

Việc chuẩn bị bề mặt phải tránh biến dạng thêm có thể che lấp các hiệu ứng do gia công gây ra, thường sử dụng các kỹ thuật đánh bóng điện phân cẩn thận.

Các mẫu phải đại diện cho các điều kiện sản xuất thực tế, bao gồm lịch sử nhiệt và các thông số cắt được sử dụng trong quá trình sản xuất.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra tiêu chuẩn thường diễn ra ở nhiệt độ phòng (20-25°C) trừ khi đánh giá cụ thể tác động của gia công ở nhiệt độ cao.

Phạm vi tốc độ cắt cho các thử nghiệm gia công thô thường nằm trong khoảng 50-300 m/phút đối với thép cacbon và thép hợp kim, với tốc độ chạy dao từ 0,1-1,0 mm/vòng.

Các thông số quan trọng bao gồm hình dạng dụng cụ (góc cào, góc khe hở), phương pháp sử dụng chất lỏng cắt và đặc tính độ cứng của máy công cụ.

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu chính bao gồm các phép đo lực được lấy mẫu ở tần số 1-10 kHz để nắm bắt hiện tượng cắt tạm thời.

Các phương pháp thống kê bao gồm phân tích phương sai (ANOVA) để xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất gia công thô và phân tích hồi quy để phát triển các mô hình dự đoán.

Giá trị cuối cùng cho độ nhám bề mặt thường là giá trị trung bình của nhiều phép đo trên bề mặt gia công để tính đến các biến thể về hướng và các điểm bất thường cục bộ.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi độ nhám bề mặt điển hình (Ra)	Độ sâu cắt điển hình	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1018, 1020)	3,2-12,5 μm	2-5mm	Tiêu chuẩn ISO2632
Thép Cacbon Trung Bình (1045)	3,5-15 μm	1,5-4mm	Tiêu chuẩn ISO2632
Thép hợp kim (4140, 4340)	4.0-16 μm	1-3mm	Tiêu chuẩn ISO2632
Thép công cụ (D2, A2)	5.0-20 μm	0,5-2mm	Tiêu chuẩn ISO2632

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt về cấu trúc vi mô, độ cứng và phân bố cacbua. Hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn thường làm tăng lực cắt và độ nhám bề mặt.

Các giá trị này đóng vai trò là kỳ vọng ban đầu cho việc lập kế hoạch quy trình, trong khi kết quả thực tế phụ thuộc vào độ cứng của máy, tình trạng dụng cụ và các thông số cắt được chọn.

Một xu hướng đáng chú ý cho thấy khi độ cứng vật liệu tăng lên ở các loại thép, độ sâu cắt thực tế tối đa sẽ giảm trong khi giá trị độ nhám bề mặt có thể đạt được thường tăng lên.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường phân bổ 0,5-3mm vật liệu cho mỗi bề mặt để gia công thô, với lượng cho phép lớn hơn cho vật liệu đúc hoặc rèn ban đầu và lượng cho phép nhỏ hơn cho vật liệu đã qua xử lý trước.

Các yếu tố an toàn khi gia công thô thường bao gồm công suất bổ sung 20-30% vượt quá yêu cầu đã tính toán để tính đến quá trình hao mòn dụng cụ và sự không đồng nhất của vật liệu.

Quyết định lựa chọn vật liệu phải xem xét đến chỉ số khả năng gia công, trong đó ưu tiên các loại gia công tự do cho các thành phần đòi hỏi gia công thô nhiều để giảm thiểu chi phí sản xuất và hao mòn dụng cụ.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Sản xuất thiết bị hạng nặng phụ thuộc rất nhiều vào gia công thô đối với các bộ phận thép lớn như khối động cơ và khung kết cấu, trong đó khối lượng vật liệu loại bỏ có thể vượt quá 70% so với khối lượng ban đầu.

Sản xuất linh kiện hàng không vũ trụ là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác, trong đó quá trình gia công thô các linh kiện bánh đáp và các bộ phận kết cấu phải cân bằng giữa hiệu quả loại bỏ vật liệu với khả năng kiểm soát chặt chẽ ứng suất dư.

Sản xuất khuôn mẫu sử dụng gia công thô để thiết lập hình học cơ bản trước khi thực hiện các thao tác hoàn thiện chính xác, trong đó đường chạy dao thích ứng ngày càng được sử dụng nhiều để duy trì tải trọng dao đồng nhất trong các điều kiện vật liệu khác nhau.

Đánh đổi hiệu suất

Tốc độ loại bỏ vật liệu trái ngược hoàn toàn với tính toàn vẹn của bề mặt, vì tốc độ loại bỏ cao hơn tạo ra nhiều nhiệt và năng lượng cơ học hơn có thể gây ra hư hỏng bên dưới bề mặt và ứng suất dư.

Tuổi thọ của dụng cụ có mối quan hệ nghịch đảo với năng suất gia công thô, đòi hỏi các kỹ sư phải cân bằng giữa tính kinh tế của tốc độ cắt nhanh hơn với tần suất thay thế dụng cụ tăng lên.

Các kỹ sư thường giải quyết những yêu cầu cạnh tranh này bằng cách phát triển các chiến lược gia công nhiều giai đoạn, với các đường cắt thô ban đầu được tối ưu hóa để loại bỏ vật liệu, sau đó là các đường cắt nhẹ dần dần chuyển sang các điều kiện hoàn thiện.

Phân tích lỗi

Hỏng dụng cụ là một dạng hỏng hóc phổ biến trong quá trình gia công thô, thường là do lực cắt quá lớn, giá đỡ dụng cụ không đủ hoặc thông số cắt không phù hợp.

Cơ chế hỏng hóc thường bắt đầu bằng vết nứt nhiệt hoặc mẻ cạnh, tình trạng này ngày càng tệ hơn cho đến khi xảy ra hỏng hóc nghiêm trọng, có khả năng làm hỏng cả phôi và máy công cụ.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm lựa chọn hình dạng dụng cụ và công nghệ phủ phù hợp, triển khai hệ thống giám sát tình trạng dụng cụ và kiểm soát thích ứng các thông số cắt dựa trên phản hồi lực theo thời gian thực.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất gia công thô, trong đó thép carbon trung bình (0,4-0,6% C) thường mang lại sự cân bằng tối ưu giữa độ bền và khả năng gia công.

Lưu huỳnh là một nguyên tố vi lượng giúp cải thiện đáng kể khả năng gia công thô bằng cách hình thành các tạp chất mangan sunfua có tác dụng như chất phá phoi bên trong và giảm ma sát tại giao diện giữa dụng cụ và phoi.

Tối ưu hóa thành phần cho gia công thô thường bao gồm việc thêm các nguyên tố gia công tự do (S, Pb, Bi) hoặc kiểm soát hình thái tạp chất thông qua xử lý canxi trong sản xuất thép.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường cải thiện độ hoàn thiện bề mặt trong quá trình gia công thô nhưng có thể làm tăng lực cắt và độ mài mòn của dụng cụ do độ bền cao hơn.

Sự phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất gia công, trong đó cấu trúc vi mô ferritic-pearlitic mang lại khả năng gia công tốt hơn cấu trúc martensitic do độ cứng thấp hơn và hình thành phoi thuận lợi hơn.

Các tạp chất cứng, đặc biệt là oxit nhôm hoặc nitrua titan, làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ trong quá trình gia công thô do tác động mài mòn lên vật liệu dụng cụ cắt.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý ủ trước khi gia công thô có thể cải thiện khả năng gia công bằng cách làm mềm cấu trúc vi mô và giảm ứng suất dư từ quá trình gia công trước đó.

Hướng cán nóng ảnh hưởng đến quá trình hình thành phoi và tạo bề mặt, trong đó cắt vuông góc với hướng cán thường mang lại kết quả thuận lợi hơn trong các hoạt động gia công thô.

Tốc độ làm nguội trong quá trình xử lý nhiệt trước đó ảnh hưởng đến kích thước và sự phân bố cacbua, trong đó làm nguội chậm hơn thường tạo ra các cacbua lớn hơn, cách xa nhau hơn giúp cải thiện khả năng gia công thô.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ cao làm giảm độ bền kéo và tăng độ dẻo của thép, có khả năng cải thiện khả năng gia công thô nhưng lại gây nguy cơ mất độ chính xác về kích thước do giãn nở vì nhiệt.

Môi trường ăn mòn từ chất lỏng cắt có thể đẩy nhanh quá trình mài mòn dụng cụ thông qua các tương tác hóa học ở nhiệt độ cao tạo ra trong quá trình gia công thô.

Hiệu ứng làm cứng trở nên rõ rệt hơn theo thời gian trong các hoạt động cắt bị gián đoạn, đòi hỏi phải điều chỉnh các thông số cắt khi quá trình gia công diễn ra trên một bộ phận.

Phương pháp cải tiến

Kỹ thuật bao gồm có kiểm soát là một phương pháp luyện kim nhằm tăng khả năng gia công thô, với hình thái và phân bố sulfua cụ thể được thiết kế để tạo điều kiện bẻ phoi.

Việc sử dụng chất làm mát áp suất cao sẽ cải thiện hiệu suất gia công thô bằng cách thâm nhập vào giao diện giữa dụng cụ và phoi để giảm ma sát và loại bỏ phoi hiệu quả hơn khỏi vùng cắt.

Chiến lược đường chạy dao Trochoidal tối ưu hóa gia công thô bằng cách duy trì sự tương tác nhất quán của dụng cụ và giảm các biến đổi lực góp phần gây ra các vấn đề về mài mòn dụng cụ và chất lượng bề mặt.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Bán hoàn thiện là giai đoạn gia công trung gian giữa gia công thô và gia công tinh, thường loại bỏ 0,2-0,5mm vật liệu với thông số cắt vừa phải.

Sự hình thành lớp trắng mô tả lớp bề mặt biến đổi về mặt kim loại có thể hình thành trong quá trình gia công thô mạnh, đặc trưng bởi các hạt cực mịn và thành phần pha thay đổi.

Chỉ số khả năng gia công định lượng mức độ dễ dàng tương đối khi gia công vật liệu, với thép gia công tự do được thiết kế đặc biệt để cải thiện hiệu suất gia công thô.

Các thuật ngữ này tạo thành một chuỗi các quy trình sản xuất liên tục, tiến triển từ việc loại bỏ vật liệu rời đến các hoạt động hoàn thiện chính xác.

Tiêu chuẩn chính

ISO 513:2012 thiết lập phân loại dụng cụ cắt cacbua được sử dụng trong các hoạt động gia công thô, xác định phạm vi ứng dụng dựa trên đặc tính vật liệu phôi.

ANSI/ASME B94.55M cung cấp hướng dẫn về dung sai và phụ cấp gia công thô trong nhiều quy trình sản xuất và loại vật liệu khác nhau.

DIN 8580 khác với các tiêu chuẩn ISO ở chỗ phân loại gia công thô trong một hệ thống phân cấp quy trình sản xuất toàn diện liên quan đến các quy trình loại bỏ vật liệu với các đặc tính bề mặt tạo ra.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mô hình hóa dựa trên vật lý của các quy trình gia công thô kết hợp sự tiến hóa của cấu trúc vi mô để dự đoán tính toàn vẹn bề mặt và sự phát triển ứng suất dư.

Công nghệ bản sao kỹ thuật số đang nổi lên như một công cụ tối ưu hóa thời gian thực các thông số gia công thô dựa trên phản hồi về tình trạng vật liệu và các thuật toán điều khiển thích ứng.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tích hợp trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa tự động các quy trình gia công thô, với các thông số tự điều chỉnh để phản ứng với các biến thể vật liệu được phát hiện và tình trạng hao mòn của dụng cụ.